Constructing dual charge transfer tunnels within highly charge-confined COFs for efficient photosynthesis of hydrogen peroxide from water and air

过氧化氢 电荷(物理) 对偶(语法数字) 光合作用 水蒸气 材料科学 化学 物理 生物化学 有机化学 艺术 粒子物理学 文学类
作者
Yanghui Hou,Fuyang Liu,Zhengmao Li,Jialiang Liang,Peng Zhou,Meiping Tong
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
标识
DOI:10.1093/nsr/nwaf444
摘要

Abstract Insufficient charge separation and sluggish two-electron water oxidation reaction are two critical factors restricting the photosynthesis performance of hydrogen peroxide (H2O2) from naturally abundant water and air by metal-free covalent organic frameworks (COFs). Herein, we develop a facile strategy to simultaneously boost charge separation efficiency and water oxidation capability through constructing short and rapid charge transfer tunnels within highly charge-confined COFs via replacing phenyl with pyrimidine. Compared to single charge transfer tunnel within lowly charge-confined COF-APM with pyrimidine, dual charge transfer tunnels are constructed within highly charge-confined COF-BPM with bipyrimidine due to the ground-state charge transfer between para-carbon and meta-nitrogen, which significantly accelerates the intermolecular charge transfer process and prevents charge recombination. This strategy also decreases the energy barrier of rate-determining water oxidation in H2O2 photosynthesis and thus promotes the effective generation of the key *OH intermediates, facilitating the generation of H2O2 with the production rate of 5521 μmol g−1 h−1 from water, oxygen, and light without sacrificial reagents or additional energy consumption by COF-BPM. Furthermore, COF-BPM can also efficiently produce H2O2 under broad pH condition, in widely available real water, on floatable foam sheet, in continuous-flow reactor, and in scaled-up reactor using natural solar light for water decontamination.
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